7月4日,特斯拉Model S车型在洛杉矶发生罕见事故,高速行驶的Model S撞上灯柱后,完全解体成两半,随后电池起火烧毁车体。
一家跨国汽车公司汽车研究院的安全专家在仔细查看事故车体残骸图片后,对记者惊呼:“从事汽车安全研究二十多年,这种完全解体的事故几乎没有见过,特别是售价超过60万元豪华车。”
7月7日,特斯拉官方首次确认事故属实。发言人西蒙·斯普洛尔回应“惨状”称,车体损毁状况难以想象,“出现过重大事故的Model S汽车并不多,而且显然不会像这样,所以我们希望了解究竟发生了什么事情。”
从去年下半年开始,特斯拉已经发生六起起火事件。在一位接受记者采访的汽车企业研发负责人看来,特斯拉的事故频繁并非偶然。“从零部件供应体系上看,为了降低成本,它采用的很多零部件并非为特斯拉车型单独打造,而是直接拿了已经规模化生产的其他品牌的零部件进行集成。这种模式对产品在使用过程中的可靠性和安全性影响是巨大的。”
随着特斯拉产品在市场上运行越来越多,时间越来越长,特斯拉的工程师惊恐地发现很多零部件需要改进,特斯拉正在陷入一个麻烦越来越多的泥潭。“改进意味着重新设计,特性化的零部件需要新的模具,成本将大规模增加。”
零部件集成模式存在隐患
具有成熟研发体系的汽车企业,会对产品进行各种各样的安全碰撞试验,其中包括各个角度和各种车速的碰撞,以及碰撞不同物体,包括柱形物体的碰撞,以最大限度保证驾驶仓和驾乘人员的安全。
据上述人士称,特斯拉车体直接被柱形物分割成两部分,这在做过相关实验的汽车厂商来说是不可能发生的,因为这种状况对驾驶舱的保护已经完全不存在。
在此之前,从事整车安全研究的业内人士早已预见过,特斯拉安全事故会不断发生。“我开过特斯拉,操作性能确实不错,特别是静音等方面。但我们知道特斯拉的零部件供应模式后,就可以判断出,特斯拉产品的安全性和可靠性是令人担忧的。”
特斯拉Model S的供应商里面,不乏有高级刹车系统制造商意大利公司布雷博、传动和底盘技术产品供应商采埃孚公司等等,从单个部件来看,特斯拉的大部分零部件出自欧美大公司。
但是独立开发零部件往往因为研发、模具费没有规模化分摊,价格是已经规模化生产零部件的几倍。特斯拉为了降低成本,采购的是已经应用于其他品牌车型,零部件的研发成本已经通过规模化摊薄,较便宜的零部件进行组装。“单个零部件的可靠性已经通过市场验证,但汽车研发的人都知道,并非一堆好的零部件堆在一起,就会有好产品。”上述人士说。
因为很多零部件不是针对特斯拉产品进行适应性开发,在产品经过长时间使用、极端环境,或者严重事故中,事故风险就会不可控。
据资料显示,特斯拉Model S的前保险杠总成采购自加拿大公司摩缇马帝(multimatic)。目前该公司正在新兴市场扩展中,今年1月,其计划投资2500万美元的亚太区总部在昆山开发区动工。和汽车零部件巨头相比,它在中国的投入并不算大,也不像其他在中国投资的零部件公司一样有名。
特斯拉Model S不到一年六次起火,此前已经被人用简单的数据推算出来:根据18650小电池在美国的召回概率是0.2PPM,那么特斯拉由7000块小电池组成的电池包起火概率是0.14%,按照其目前的销量,这种概率导致它几乎每个月一起事故。
上述人士解释了为什么实际数量略低于理论事故量:特斯拉的购买人群一般都是有钱人,家里有多辆车,买了特斯拉后,一般都只在特殊场合使用,所以使用时间很少,事故率自然就低。
另一个令人担心的问题是,特斯拉电池包有7000块小电池,意味着要有7000个控制器,把这些部件连接起来,连接点相当于1万多个电阻。“这些电阻的一致性很难控制,很显然有些电阻小,使用频率也会增大,易于损坏;电阻大的,则需要通过发热来转化能量。”特斯拉为此不得不特别注重电池冷却系统,该部件采购于名气并不大的美国摩丁制造公司(Modine)。
卖得越多亏损越多
2013财年第一季度,特斯拉实现了公司10年历史上的首次季度盈利,盈利额为1120万美元,营业收入环比激增83%。这一消息刺激了新能源汽车市场,随后特斯拉股票价格开始狂飙,在中国市场也遭到爆炒。
但接下来发展的趋势却令人不解。去年第一季度特斯拉营收为5.62亿美元,到了第四季度上升到6.15亿美元,今年第一季度为6.21亿美元,环比上升趋势明显。但与这一趋势相反的是,特斯拉从去年第二季度开始又进入亏损通道,并且亏损额度越来越大。
特斯拉在财报中表示,公司今年第一季度生产了创纪录的7535辆Model S电动车,向客户交付了略超预期的6457辆电动车。远高于去年一个季度平均5500辆的销量,增长为17%。
但特斯拉面临的现实问题是,随着订单的增加,销量越大亏损越多。这也让其成为汽车产业发展规律的异类,规模化不但没有摊薄成本,相反越来越艰难。
据上述汽车企业的研发负责人称,“我们仔细研究了特斯拉的问题,发现出现的原因还是特斯拉的零部件集成模式。很明显,亏损的症结出现在产品层面,而非经营层面。”
特斯拉的工程师难以启齿的是,产品在使用过程中,不是基于整体性开发的零部件,问题越来越多。特斯拉不得不重新改进该零部件,以达到汽车产品整体性使用要求。
解决方案只有一个,零部件公司要重新为特斯拉开发产品,然后重新开发模具。这产生了两个后果:一是上述两块是零部件最大的成本,为此特斯拉不得不回到起点,增加成本为走捷径买单;二是事故频发,市场的负面信息越来越多,“未来之车”的光环逐渐消褪。
特斯拉去年的销量只有2.2万辆,今年的目标仅为3.5万辆,特斯拉的成本短期内无法通过规模化来摊薄。特斯拉CEO马斯克对此心知肚明,但他别无他法,只得强推规模化计划:近日宣布在欧洲的销量目标为16万辆,并建造工厂。而特斯拉的长远全球目标是年销售50万辆。
仍然有大堆的问题让马斯克焦虑,如果产品可靠性和安全性没有解决,产能扩张越快,特斯拉可能离坟墓就越近。“特斯拉的零部件问题还没有完全暴露,特斯拉产品需要一定的时间进行改进,在这段时间,销售越多仍旧亏损越多。”上述人士预测。
作为电动车的核心部件之一,Tesla的电池曾经被嘲笑、被诟病,甚至在实现销售爆发式增长之后,仍有很多业界专家称其“电池技术老旧”、“无核心竞争力”。原因在于Tesla是唯一一家采用18650型钴酸锂离子电池的公司,这种电池一直用于笔记本电脑中,难登电动汽车之“大雅之堂”,并且存在安全隐患。
为什么是钴酸锂电池?
作为动力输出的后盾,电池对电动车的作用不言而喻。因为本身性能较稳定、安全系数较高且可循环充电次数多,磷酸铁锂电池是目前市场上动力电池的首选,如雪佛兰Volt、日产Leaf、比亚迪E6和Fisker Karma。
Tesla则有些另类,他旗下首款车型Roadster使用的是18650钴酸锂电池。与磷酸铁锂电池相比,这种电池虽然技术较为成熟,功率高、能量密度大,且一致性较高,但安全系数较低,热特性和电特性较差,成本也相对较高。
据业内人士介绍,18650电池外电压但凡低于2.7V或高于3.3V,都会出现过热的症状。如果电池组较大且组内温度梯度控制得不好,就会存在很大的起火风险。而电池技术的关键恰恰就是电压电流和热量控制,难怪Tesla被批评为电池技术不靠谱。
但实际上,被认为更安全可靠的磷酸铁锂电池也并非万无一失。在制备的烧结过程中,氧化铁在高温环境下存在被还原成单质铁的可能性,单质铁会引起电池的微短路,这是电池中很忌讳的物质。此外,磷酸铁锂电池在实际生产中充放电曲线差异大,一致性较差且能量密度较低,这直接影响到电动车敏感的续航问题。数据显示,钴酸锂的理论密度为5.1g/cm3,商品钴酸锂的振实密度一般为2.0-2.4g/cm3;而磷酸铁锂的理论密度仅为3.6g/cm3。海通国际证券公司最新的研报表明:特斯拉电池能量密度(170wh/kg)大约是比亚迪电动车磷酸铁锂电池能量密度的两倍。
电池组成本四年下降44%
早在上世纪70年代,英国宾汉顿大学的Whittingham女士就发明了18650电池,这种电池常应用于笔记本电脑、强光手电等数码产品上,但是,将这种直径18mm、高65mm的圆柱形锂电池用在汽车上,Tesla是第一个吃螃蟹的人。
Tesla的电池技术总监Kurt Kelty曾经表示:Tesla起初也尝试了市面上超过300种电池,包括板形和方形电池,最终选择了松下的18650电池,原因主要有以下四点:
●能量密度更大且稳定性、一致性更好;
●可以有效降低电池系统的成本;
●全球每年生产数十亿个18650电池,安全级别不断提高;
●尺寸小但可控性高,即使电池组的某个单元发生故障,也能降低故障带来的影响。
松下官网显示,型号为NCR18650的锂电池是一款高能量模型(HighCapacity)电池,该电池的名义伏特数为3.6V,名义最小容量为2750毫安时,重量为45.5克。并且,在Tesla第二代车型Model S上使用的18650比之前Roadster的能量密度高出三成。
据Tesla首席技术官JB Straubel表述:从Roadster到Model S“转型”的四年时间,电池组成本已经下降了约44%,并且仍然会继续下降。松下曾在2010年向Tesla投资3000万美元,成为其股东之一。并且于2011年达成战略协议,将负责Tesla今后5年全部车辆的电池供应。按照Tesla目前预计每年2万辆的产量,松下18650将装配在超过8万台Model S上。
6831节锂电池的争议重组
18650存在安全风险是不争的事实,Tesla如何“搞定”这一硬伤?秘密武器在于其电池管理系统,给出的解决方案是将6831节2安时左右的松下18650封装电池通过串联和并联结合在一起。
要驱动一辆电动车,需要大量的18650电池,Tesla Roadster的电池系统包含6831节小电池,而Tesla Model S更是高达8000节,如何排列组装这些数量众多的小电池尤为重要。
这时候,Tesla创始人之一Marc Tarpenning以往的经验派上了用场。他曾是这个领域的专家并成功出售过一家公司。他把网络控制领域用程序控制成百上万台服务器的模式搬到了Tesla电池系统控制领域,通过一年的DOE(design of experiment,实验设计),用分层次管理的办法成功控制了这6831节小电池以及电压和温度:
●69个18650电池被并联封装成一个电池砖;
●99个电池砖串联成一个电池片;
●11个电池片组成一个电池包,总计6831节。
仅仅有这些层次还不够,对于每一个层次都要进行监控,于是他们在每个电池单元、每个电池砖、每个电池片的两端均设置有保险丝,一旦电池过热或者电流过大则立刻融断,断开输出。
仅仅有保险丝还是不够,于是:
●在每个电池片上,均设置有BMB (Battery Monitor board)即电池监控板,用以监控每个电池砖的电压,温度以及整个电池片的输出电压。
●在整个电池包上,设置有BSM(Battery System Monitor),用以监控整个电池包的工作环境。包括电池包的电流、电压、温度、湿度、方位、烟雾等。
●在整车层面,设置有VSM (Vehicle SystemMonitor),用以监控BSM。
这样一套电池控制系统成为Tesla的技术核心,当Tesla刚刚公布这套造价高昂的系统时(传言高于20000美金),很多业内人士不约而同地对其唱衰,认为将7000个电池放在汽车里的行为是可笑的。但事实却给予他们有力的回应,雪佛兰Volt起火、Fisker Karma车型更是一年内发生三次自燃事件,而反观Tesla,不论是Roadster还是Tesla Model S都从未发生过起火自燃事件。